高功率鋰動力電池的安全技術探討

王景輝

（深圳市中泰盛科技有限公司，廣東 深圳 518043）

隨著社會的發展，當前各個行業都對于能源產生了極高的需求，而鋰離子電池在當前已經成為了各種電子產品所必備的一項，同時也在新能源領域得到了應用，原因主要是因為鋰離子電池具有著高比能的特點。而高功率鋰動力電池作為一種動力、儲能的電池，其比功率、可靠性、比能量、經濟指標、環境適應性以及循環穩定性等都會嚴重的影響到自身的商業化程度。而高功率鋰動力電池自身的安全性則直接的決定了其是否能夠在動力、儲能等相關領域應用的關鍵。高功率鋰動力電池體系中在電氣復雜的應用條件下，具有許多的危險，例如，燃燒、爆炸等。所以，這在一定程度上導致高功率鋰動力電池的發展收到了制約。雖然為了解決高功率鋰動力電池的安全性問題，提出了一些解決措施，但沒有從根本上解決[1]。

1 過充安全保護技術

（1）電氧化聚合電解液添加劑

電氧化聚合電解液添加劑保護原理為：將某種可氧化聚合的單體添加在電解液內，等到電池過充為一定電壓時，單體分子在此時會在電池陰極表面出現電氧化聚合，并且會產生聚合物表面層，而該層是一種絕緣狀態，隨之還會出現陰極活性表面、內孔封閉等情況，然后實現內部離子傳輸、阻塞電極反應的目的，使鋰動力電池內部出現短路，最終避免發生電池不安全行為。因為導電聚合物本身具有著電阻，因此短路方式會仙姑地比較的溫和，能夠將電池中所含有的能力均勻的釋放出來，使電池可以保持在一個安全的狀態下。同時，在進行聚合的過程中，會產生微量的氫氣，可以有效地提升電池安全閥的靈敏性[2]。

（2）氧化還原電對穿梭劑

這一原理為:將具有一定高度氧化還原可逆性的電對加入到電解液中，并且等到電池在正常的充放電電壓時，電對添加劑分子在此時并不會與其他的電極發生，并且其狀態還會是處于本征的還原態。而電池在進行充電時，電壓如果已經處于電對的氧化電勢，那么在此時進行正極還原態電對，將會導致電子被電化學氧化成氧化態，并開始向著負極擴散。對其進行反復的氧化操作，能夠將旁路掉外部的充電電流還原，并將電壓進行局限，使其處于某一個范圍之內，避免高功率鋰動力電池出現電壓失控[3]。

（3）電壓敏感隔膜

這也是一種過充保護的方式，并且還是可逆的，該方式的思路在于:采用電活性聚合物來制作隔膜骨架，在一個充放電正常的范圍內，隔膜會是絕緣態，是利用隔膜微孔進行離子液相傳導。在電池發生電池過充后，將會伴隨著充電電壓的升高而隨之升高，電池的正極電位在此時也會隨之提升，并且速度十分快，在達到聚合物材料的氧化電位時，聚合物在此時會出現氧化摻雜，并且還會轉變為電子導體，出現短路等各種問題。過充電流則會通過隔膜阻止電極材料發生更多的反應，避免出現電解液氧化分解的情況，達到保護電池的最終目的。電池過充如果一旦停止，那么在電壓內部短路后，將會發生降低，當低到一定程度的時候，電壓敏感隔膜會隨之轉變，并逐漸的恢復為正常隔膜功能[4]。

所以，通過不同電勢，導電聚合物的絕緣態-導電態將會產生可逆轉變，如果以此為根據開展設計的話，可以擁有一個良好的電壓開關性質，并實現電池可逆過充保護的最終目的。

2 熱控制技術

為了避免電池出現熱失控，所以設計出一種自激活熱阻斷功能的過充保護措施，也就是溫度敏感電極。其原理為:將一層具有PTC效應的材料嵌入在電極活性物涂層與集流體之間，使電極產生PTC效應。這樣能夠使電極可以根據自身的溫度變化進行調節，并將自我限流功能及時啟動，可以為電池的熱失控提供現場保護[5]。

PTC材料擁有著合適的阻變溫度，同時還具有升阻比和化學穩定性等特點，而上述結構中的PTC電極可以以溫度變化為根據，對于電機電阻進行調節，因此具有自激活溫度開關的能力。但是，這種PTC電極僅對于因為過充或短路造成的溫升可以產生效果，而因為穿刺、負極析鋰、擠壓等原因所產生的熱失控，則無法獲得良好的效果。因為涂層和集流體之間的PTC薄層無法切斷正負極之間的電子傳導，所以，使用PTC涂層均勻包覆電極活性材料表面，是一種有效的熱控制方式。可以使活性材料自身產生熱敏感功能，從而可以感受到溫度。PTC薄層非常致密并具有鋰離子傳導功能的話，那么在不對電池正常充放電產生影響的前提條件下，能夠將敏感溫度下的所有電極表面進行封閉，以此來處理熱失控。但實現這一目的的最重要的是擁有可以滿足原理要求的PTC材料。

3 總結

綜上所述，解決高功率鋰動力電池安全性問題的唯一途徑就是發展自激發安全保護技術但是這是一項十分艱苦的工作。但是，經過多年以來的不斷發展和探索，在當前的相關方面已經或得了顯著的進展。在其中的過充保護方面，可聚合單體添加劑已經正式的進入到實際應用中，并且電壓敏感隔膜、氧化還原電對穿梭劑都已經或得了良好的效果。但是，當前在熱控制方面的研究工作相較于其他方面，研究比較少，并且思路也更為單一性，還需要加強對此的研究。